Transistori MOS. Ing. Ivan Blunno 21 aprile 2005

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Transistori MOS. Ing. Ivan Blunno 21 aprile 2005"

Teresa Scarpa
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Transistori MOS Ing. Ivan Blunno 1 aprile Introduzione In questa dispensa verranno presentati i transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) di tipo N e P dal punto di vista del loro funzionamento elettrico, senza analizzare i fenomeni di trasporto di carica che ne determinano il comportamento. In particolar modo verranno discusse le equazioni e le curve caratteristiche dei componenti MOS. Il transistor NMOS Il transistor NMOS ha il simbolo circuitale mostrato in figura 1. I tre morsetti sono chiamati gate (G), source (S) e drain (D). Il funzionamento di base del transistor NMOS puo essere riassunto dicendo che La corrente che entra nel morsetto G è nulla (impedenza infinita). La corrente che scorre tra i morsetti D e S (I DS ) dipende in modo NON lineare dalle tensioni e. I parametri fondamentali che definiscono un transistor NMOS sono: La tensione di soglia T n > 0. D G I DS S Figura 1: Transistor NMOS: simbolo circuitale 1

2 Il guadagno β n = µ nc ox W L. In questa formula µ n rappresenta la mobilità degli elettroni, C ox la capacità dello strato di ossido tra gate e substrato e W e L rispettivamente la larghezza e la lunghezza del canale. A seconda dei valori delle tensioni e possono essere individuate 4 zone di funzionamento del transistor. Zona di interdizione: < T n, I DS = 0 Zona lineare: > T n, T n I DS = β n ( T n ) Zona triodo: > T n, < T n [ I DS = β n ( T n ) ] Zona di saturazione: > T n, > T n I DS = β n ( T n ) Il comportamento globale del transistor NMOS può essere osservato nel grafico di figura. Il grafico è parametrico secondo il valore di T n. Dalle equazioni mostrate in precedenza si può notare che il passaggio dalla zona triodo a quella di saturazione si ha quando = T n. Sostituendo questa uguaglianza nell equazione della zona triodo (o di quella della zona di saturazione) si ottiene che I DS = β n DS. Questa relazione è un funzione parabolica che rappresenta il luogo dei punti di passaggio dalla zona III alla zona I. La zona I rappresenta la zona di interdizione in cui la corrente I DS vale 0 (tutto l asse ). La zona II è la zona lineare. In questa zona il transistor si comporta come una resistenza variabile di valore R = 1 β n( T n ). Infine in zona di saturazione (zona I) il transistor si comporta come un generatore di corrente di valore I = β n ( T n ). 3 Il transistor PMOS Il comportamento del transistor PMOS (il cui simbolo circuitale è rappresentato in figura 3) può essere derivato da quello del transistor NMOS fatte salve alcune differenze che verranno di seguito evidenziate:

3 I DS III I 4 II 3 1 I Figura : Transistor NMOS: curve caratteristiche. S G I DS D Figura 3: Transistor PMOS: simbolo circuitale 3

4 DD I DS R v o v i Figura 4: Inverter NMOS La tensione di soglia T p < 0. La condizione di conduzione sarà pertanto < T p la cui analogia con l equivalente relazione del NMOS può essere meglio rilevata considerando i valori in modulo: > T p Le tensioni, e la corrente I DS sono tutte negative. Anche in questo caso le equazioni che le contengono rimangono invariate rispetto al caso del NMOS se invece del valore reale si considera il loro valore in modulo. Il guadagno sarà β p mobilità delle lacune. = µpcoxw L dove in questo caso µ p rappresenta la A puro titolo di esempio viene di seguito riportata l equazione della corrente I DS che scorre in un PMOS in zona lineare ( > T n ): La corrente scorrerà da S verso D. 4 Inverter NMOS I DS = β p ( T p ) Allo scopo di meglio comprendere il funzionamento del transistor MOS e di presentarne un primo possibile utilizzo analizziamo il funzionamento dell inverter NMOS rappresentato in figura 4. Il funzionamento di principio è il seguente: per una tensione di ingresso v i = 0 il transistor sarà interdetto e la corrente I DS = 0. Non essendoci caduta sulla resistenza R la tensione di uscita v o risulterà pari a DD. Per una tensione di ingresso v i = DD il transistor sarà in conduzione e la corente I DS comporterà un abbassamento della tensione v o. 4

5 Il comportamento di questo circuito è proprio quello di un inverter in cui una tensione bassa in ingresso comporta una tensione alta in uscita e viceversa. Come esercizio proviamo a determinare quale deve essere il valore di R tale da avere v o = DD per v i = DD nel caso che: W = L, T n = 0.7, µ n C ox = 100µA/, DD = 5 In queste condizioni β n = µ nc ox W L = 00µA/ Poiché deve essere v o = v i = DD e poiché v o = e v i = avremo anche che =. Questa condizione identifica la zona di funzionamento del NMOS che è quella di saturazione. La corrente che scorre in R sarà pertanto I DS = β ( ) n DD T n = 34µA/ v o = DD I DS R DD = DD I DS R R = DD I DS = 7.7kΩ Completiamo questo semplice esercizio determinando qual è il valore minimo di v o che si può ottenere. Tale valore si otterrà per il massimo valore di I DS. Allora applichiamo il massimo valore di tensione all ingresso: v i = DD. In questo caso non possiamo sapere il quale zona starà lavorando il transistor. In ogni caso, poiché T n = = 4.3 e poiché ci aspettiamo che abbia un valore basso, sicuramente non saremo in zona di saturazione. In ogni caso possiamo verificare numericamente che l assunzione di essere in zona di saturazione sarebbe sbagliata: I DS = β n ( DD T n ) = 1.85mA v o = DD I DS R = = 9.7 Ovviamente non può essere v o < 0 e quindi è evidente che l assunzione di trovarci in zona di saturazione è sbagliata. Analogamente si verifica (con qualche calcolo in più) che il transistor non può essere neanche in zona triodo. Allora il transistor si trova in linearità. È così possibile calcolare la corrente I DS. 5

6 v o v i Figura 5: Inverter NMOS: realizzazione circuitale I DS = β n ( T n ) = β n ( DD T n )( DD I DS R) I DS = β n( DD T n ) DD = = 56µA β n ( DD tn )R v o = DD I DS R = = 0.7 In realtà gli inverter NMOS vengono realizzati sostituendo alla resistenza di pull-up un transistor PMOS come mostrato in figura 5. 6

Documenti analoghi

Dispositivi e Tecnologie Elettroniche. Il transistore MOS

Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS Il transistore MOS La struttura MOS a due terminali vista può venire utilizzata per costruire un condensatore integrato È la struttura base del